基于ISM频段的直读式抄表系统的研制

秦建兵 李海龙

【摘要】 本系统采用摄像直读方式，通过ISM无线频段将用户表具图像上传到计费中心服务器，由LABVIEW软件对图片进行识别处理，生成表具的当前读数，实现零误差、集中式远程抄表功能。

【关键词】 ISM频段 直读式 抄表

一、抄表领域现状分析

当今家庭中使用的表具一般包括水表、气表、电表，根据国家住建部2013年统计，没有实现远抄的表具约占总数量的60%，这些表具的数据读取仍旧依靠传统的人工入户抄表方式，费力费时，及时性和准确性都得不到保障，尤其是国家提出到2015年底前要全面实行阶梯水价，这种手工抄表方式已经不适应社会的发展要求。

二、远程抄表系统的技术方案

本抄表系统适用于对不具备远传功能的表具进行远传改造。系统使用ISM频段传输数据，该频段为免申请频段，设计发射功率小于100mW，考虑到用户家中的表具安放位置，选择穿墙绕射能力好的433MHz频率。系统选择摄像直读方式能够实现零误差抄表，无需更换旧表具。图像读取设备具有低功耗工作特点，只有在发射数据时耗电，其余时间都处于极低功耗休眠模式。LABVIEW为后台图像识别软件，借用LABVIEW的VISION功能库精确实现表具图像的识别，生成表具的当前读数。

本抄表系统采用主动式上报数据方式，由表具图像读取装置对表具进行拍照，编码压缩，再将数据上传到数据服务器，数据服务器的LABVIEW软件负责接收、处理图片数据，将图片识别成实时读数并存储到数据库中。

三、图像读取设备的工作原理

图像读取设备安放在用户家中表具之上，负责对表具图像进行拍照，存储和上传。

OV2640是1/4寸200万像素全集成CMOS图像传感器，内部集成了JPEG图像压缩引擎，经过压缩后图像基本在15K-40K字节之间，适合于无线传输。OV2640的参数配置是由单片机通过SCCB总线来完成的[1]，主要包括输出图片像素大小，行场分频，自动曝光时间，白平衡设置等。在OV240完成参数初始化后，转入到实时图像像素输出模式，OV2640会产生像素、行、场中断，单片机会根据中断储存8位图像信息。

SI4432芯片是Silicon Labs公司推出的一款高集成度、多频段、低功耗的EZRadioPRO系列无线收发芯片，可工作在119-1050 MHz频段，考虑到用户家中表具的安装位置，本系统选用433MHz绕射能力强的频率传输数据，为降低通信误码率，选用2400bps通信速率。由于要发送的图像数据大小在15K-40K之间，为减少和纠正无线传输过程中的误码，需要对数据进行分包和校验处理，采用高斯移频键控调制GFSK来进一步降低通信误码率，提高接收灵敏度。数据通信包格式如下：

本无线节点采用同步传输模式，以0x2EE2作为同步标志码，传输完同步字后才开始传输有效数据载荷。接收端在检测到同步字后才开始接收数据。当SI4432检测到0x2EE2这个同步字后，使能接收功能，数据开始接收，对接收到的数据包里的设备地址与自身地址进行匹配比对，如果与自身地址ID号相等，则继续接收余下的数据包。

四、LABVIEW图像识别与处理

LABVIEW是由美国国家仪器（NI）公司研制开发的图形化编程语言，LABVIEW的Vision软件包专门用于图像识别、机器视觉领域。在实际条件下，摄像头采集的表具图像由于安装倾斜、光照不均容易照成光斑、灰栅等问题，在本系统中使用LABVIEW软件通过图像处理技术改善或解决接收到的图像畸变问题，该软件主要完成图像数据的接收、预处理、识别、存储[2]。表具图像识别与输出过程如下所示：

LABVIEW负责接收图像读取设备发送过来的十六进制图像数据流，由LABVIEW将数据流转换成JPEG文件并保存到临时内存中。再由VISION函数库中的平滑去噪函数滤波。边缘是图像灰度变化比较剧烈的地方，在灰度变化大的地方进行微分将产生高值，锐化边缘，在数字图像中用差分代替微分运算，将图像转换成黑白两色，再对图片分割、模型进行比对，自动生成当前表具数值。

五、结论

图像直读抄表具有直观、简单、准确的特点。上述也仅仅是在远程抄表技术中的一种应用，除此之外还可以广泛应用在各种不具备远传功能的显示器具上，不仅可以远传数字，也可以远传各种文字、符号， 是物联网技术的一种延伸和拓展，有很大的应用空间。

一、抄表领域现状分析

当今家庭中使用的表具一般包括水表、气表、电表，根据国家住建部2013年统计，没有实现远抄的表具约占总数量的60%，这些表具的数据读取仍旧依靠传统的人工入户抄表方式，费力费时，及时性和准确性都得不到保障，尤其是国家提出到2015年底前要全面实行阶梯水价，这种手工抄表方式已经不适应社会的发展要求。

二、远程抄表系统的技术方案

本抄表系统适用于对不具备远传功能的表具进行远传改造。系统使用ISM频段传输数据，该频段为免申请频段，设计发射功率小于100mW，考虑到用户家中的表具安放位置，选择穿墙绕射能力好的433MHz频率。系统选择摄像直读方式能够实现零误差抄表，无需更换旧表具。图像读取设备具有低功耗工作特点，只有在发射数据时耗电，其余时间都处于极低功耗休眠模式。LABVIEW为后台图像识别软件，借用LABVIEW的VISION功能库精确实现表具图像的识别，生成表具的当前读数。

本抄表系统采用主动式上报数据方式，由表具图像读取装置对表具进行拍照，编码压缩，再将数据上传到数据服务器，数据服务器的LABVIEW软件负责接收、处理图片数据，将图片识别成实时读数并存储到数据库中。

三、图像读取设备的工作原理

图像读取设备安放在用户家中表具之上，负责对表具图像进行拍照，存储和上传。

OV2640是1/4寸200万像素全集成CMOS图像传感器，内部集成了JPEG图像压缩引擎，经过压缩后图像基本在15K-40K字节之间，适合于无线传输。OV2640的参数配置是由单片机通过SCCB总线来完成的[1]，主要包括输出图片像素大小，行场分频，自动曝光时间，白平衡设置等。在OV240完成参数初始化后，转入到实时图像像素输出模式，OV2640会产生像素、行、场中断，单片机会根据中断储存8位图像信息。

SI4432芯片是Silicon Labs公司推出的一款高集成度、多频段、低功耗的EZRadioPRO系列无线收发芯片，可工作在119-1050 MHz频段，考虑到用户家中表具的安装位置，本系统选用433MHz绕射能力强的频率传输数据，为降低通信误码率，选用2400bps通信速率。由于要发送的图像数据大小在15K-40K之间，为减少和纠正无线传输过程中的误码，需要对数据进行分包和校验处理，采用高斯移频键控调制GFSK来进一步降低通信误码率，提高接收灵敏度。数据通信包格式如下：

本无线节点采用同步传输模式，以0x2EE2作为同步标志码，传输完同步字后才开始传输有效数据载荷。接收端在检测到同步字后才开始接收数据。当SI4432检测到0x2EE2这个同步字后，使能接收功能，数据开始接收，对接收到的数据包里的设备地址与自身地址进行匹配比对，如果与自身地址ID号相等，则继续接收余下的数据包。

四、LABVIEW图像识别与处理

LABVIEW是由美国国家仪器（NI）公司研制开发的图形化编程语言，LABVIEW的Vision软件包专门用于图像识别、机器视觉领域。在实际条件下，摄像头采集的表具图像由于安装倾斜、光照不均容易照成光斑、灰栅等问题，在本系统中使用LABVIEW软件通过图像处理技术改善或解决接收到的图像畸变问题，该软件主要完成图像数据的接收、预处理、识别、存储[2]。表具图像识别与输出过程如下所示：

LABVIEW负责接收图像读取设备发送过来的十六进制图像数据流，由LABVIEW将数据流转换成JPEG文件并保存到临时内存中。再由VISION函数库中的平滑去噪函数滤波。边缘是图像灰度变化比较剧烈的地方，在灰度变化大的地方进行微分将产生高值，锐化边缘，在数字图像中用差分代替微分运算，将图像转换成黑白两色，再对图片分割、模型进行比对，自动生成当前表具数值。

五、结论

图像直读抄表具有直观、简单、准确的特点。上述也仅仅是在远程抄表技术中的一种应用，除此之外还可以广泛应用在各种不具备远传功能的显示器具上，不仅可以远传数字，也可以远传各种文字、符号， 是物联网技术的一种延伸和拓展，有很大的应用空间。